全球领先的表面张力仪测量技术——精确快速测量动静态表面张力

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当水的温度升高时表面张力会变小

来源:中科院中国科普博览 浏览 70 次 发布时间:2022-08-08

“我们沙地里,潮汛要来的时候,就有许多跳鱼儿只是跳,都有青蛙似的两个脚……”,这是鲁迅先生的散文《故乡》中少年闰土提到的乡下稀奇事。


师法自然,神奇的大自然总能给人们灵感,推动科学技术的进步。你能想象到吗?宇宙飞船的座舱里有一种小型的气体分析仪,用来检测舱内气体成分,这竟然是从令人厌恶的苍蝇身上得到的启发;还有根据蝙蝠超声定位器的原理研制的“雷达探路仪”;模仿动物爪子设计的起重机挂钩等,这些发明创造都离不开仿生学。

图片来源:veer图库


这次,弹涂鱼又给了科学家什么样的灵感?科学家又创造出了什么呢?


一、弹涂鱼是什么鱼?


鲁迅先生提到青蛙似的跳鱼儿其实是弹涂鱼,体长50-90毫米,广泛分布于香港、台湾和东南亚等地,是一种暖温性近岸小型鱼类,喜栖息于河口、港湾、红树林区之咸淡水域和沿岸的浅水区以及在底质为淤泥、泥沙的滩涂处,性喜穴居,因性善跳也叫跳跳鱼、泥牛、滩涂虎等。

图片来源:veer图库


弹涂鱼圆鼓鼓的眼睛长在头顶,可以远距离发现食物和天敌。与一般生活在水中的普通鱼类不同,它们不但可以在水中用鳃呼吸,欢畅地遨游;还可以通过皮肤表层以及口腔、鳃腔内壁上分布着的毛细血管网来吸收氧气,为它们在陆地生存提供必要条件。如果你看到弹涂鱼张着嘴发呆,那它多半是在使用这种“另类呼吸法”。


每年4至9月份是弹涂鱼最为活跃的季节,如果你在海滨城市,就可以时常看到它们在浅滩中欢快跳跃的身影,不过你可能很难想象,它们并不是在觅食,这些“翩翩起舞”的雄性弹涂鱼实际上是在吸引异性的注意,以完成种类的繁衍。


弹涂鱼的跳跃行为得益于它们十分发达的胸鳍、腹鳍肌肉组织的完美配合,跳跃时鱼鳍张开如同小型的“旗鱼”一般惊艳。当然它们也可以借助腹部的鱼鳍,灵活快速地在泥泞中“游走”,躲避天敌的捕食。


二、仿生学带来的科技创新


自然生物有机体通过自主反馈和有效的运动策略表现出独特的能力,如蚯蚓爬行、鱼的游动和跳跃等,以更好地适应复杂多变的生活环境。生物有机体的动态适应性激发了科学家们寻找类似的运动策略来开发生物仿生机器人。但大多数驱动器功能单一、应用场景有限,严重影响其进一步开发和利用,因此研发出适用于多场景应用、多功能驱动的响应性驱动器件具有重要意义。


弹涂鱼具有陆地爬行、水中游泳、泥中跳跃的独特特征,是一种具有多场景适应能力和多功能驱动行为的鱼类。受弹涂鱼启发,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室表面与界面研究团队开发了一种能对各种环境做出响应的智能光驱动器。

图片来源:作者自制


三、为什么光照射下,仿弹涂鱼驱动膜可以在水面游动?


光以可控和连续的方式提供无线驱动和远程操纵的独特优势,同时,光致驱动器可在不同的机制下工作,如光化学、光热效应、光电转换等,这也使得光响应材料的制备成为非常有前景的研究领域。


研究人员研制的驱动薄膜中具有光热效应极好的氧化石墨烯(GO)材料,可将光能转换成热能,当光照射漂浮于水面上的驱动薄膜时,薄膜会产生一定的温度并传递给周围的液体,造成局部水温升高进而影响水的表面张力。

图片来源:作者自制


言归正传,大家一定迫不及待想要知道温度和水的表面张力之间究竟存在什么联系?原来,不同温度的水的表面张力是不一样的,当水的温度升高时表面张力会变小,反之亦然。


所以,光照射驱动薄膜一侧后,被照射区域周围液体升温,造成表面张力变小,但是没有光照射的区域液体的表面张力却并没有发生改变。那么薄膜的两侧就会因为表面张力大小的不同产生作用力,驱动薄膜向表面张力大的一侧游动。就像我们都玩过的拔河一样,绳子会移向力大的一边。水的这种特性也被科学家成为“马兰戈尼”效应。


四、如何控制仿弹涂鱼驱动膜游动的方向?


高效精准地控制薄膜游动的方向需要大量的实验尝试,大家都知道轮船通常是两头尖尖的形状,这种形状可以有效地减小船体受到的水的阻力,而我们的液面游动装置也需要通过合理的设计以达到人为可控操作。

图片来源:作者自制


通过实验探索发现三角形的驱动薄膜在光照射底边可以很快游动,但却存在方向性不可控的缺陷。要使其可完成液面直线游动、转弯、自旋转等操作,三角形薄膜显然难以办到。


薄膜直线方向的不可控性究其原因是头部角度过于尖锐,将其裁成梯形形状,在牺牲掉一点点速度的情况下可以使薄膜行驶直线也未尝不可。这样我们只需要将光照射在底边的中心位置,就可以实现薄膜的直线运动,这样做还有一个好处就是对梯形较短的底边进行光照,还可以使薄膜完成后退的操作。


前进后退解决之后,就该考虑薄膜在遇到弯道时的转弯问题,如何做到薄膜在向前游动的同时方向还可以转变呢?通过计算薄膜转弯时合力的方向,我们很快就设计出分力所存在的位置,于是在梯形的基础上裁掉一块梯形面积后,通过照射特定的部位就可以实现各类游动行为。


五、仿弹涂鱼驱动膜竟然可以跳跃?


光刺激下驱动器可以在极短的响应时间(400 ms)内从液体介质跳越到空气中,最高速度为2 m/s,高度可达14.3 cm。

图片来源:作者自制


光驱动器件的跳跃行为的原因其实很简单,前面提到GO具有光热效应,当薄膜存在于液体介质中时,光照使其弯曲变形的同时,藏匿于氧化石墨烯层间的空气会受热从中溢出而形成小气泡。这些小气泡数量会逐渐增多并相互融合成大气泡,当大气泡内外压力差到达一定值后,气泡破裂,并产生巨大的推动力驱使薄膜突然从液体中跳跃进空气。


研究人员以弹涂鱼为灵感,所研制的驱动薄膜可以像弹涂鱼一样具备在空气介质中弯曲、空气/液体界面游动、液体介质跳跃等行为。这种兼具多功能驱动行为和多场景应用特性的驱动器对光响应材料的简单模块化结合具有重要意义,对仿生驱动器的进一步开发和在微型机器人、传感器和响应性运动等领域的应用具有一定的参考和借鉴价值。


自然界的生物蕴含着最伟大的发明灵感,而科学与技术的发展离不开人们对自然的学习。随着知识的积累,人类利用自然、改造自然的能力越来越强,一个个仿生科技逐渐步入我们的生活中,推动了社会的进步。在此呼吁热爱科学的你和我一起走进自然,驻足芳林,从大自然中寻找灵感,探索自然的奥秘,创造新科技。


出品:科普中国


作者:向阳阳(中国科学院兰州化学物理研究所)


监制:中国科普博览


参考文献:


Yangyang Xiang,Bo Yu*,Feng Zhou*,et al.,Toward a Multifunctional Light-Driven Biomimetic Mudskipper-Like Robot for Various Application Scenarios,ACS Applied Materials&Interfaces,2022,14(17),20291–20302.